风电变流器IGBT模块的多时间尺度寿命评估论文_徐耀

摘要：风电变流器作为风能转换系统中的枢纽，是影响风电机组及其入网稳定性的重要环节，也是风能转换系统中的薄弱环节之一，因变流器失效导致系统故障占的比重很大，而且其中超过50% 的故障是因IGBT模块功率循环失效造成的。在对于组件可靠性和失效机理的评估分析中，对风电变流器任务剖面进行尺度划分，提出合理功率模块尺度寿命方法评估对风电变流器发电系统的管理。充分利用器件结温数值计算，实现风速和气温数据快速计算，根据器件的寿命提高评估方法管理。

关键词：风电变流器；IGBT 模块；寿命；评估

风力发电是目前新能源的焦点之一，度电成本达到了与火电相近的程度，具备大规模开发的条件，随着风力发电的迅速发展，风机容量不断得到增大，但是其对电网的影响也随之增大，使得风力发电系统迫切需要更高的可靠性。然而根据系统故障率统计结果，功率变流器(电气系统)作为风力发电系统的核心组件，是最主要实践应用型组件，亦是主要失效组件之一。变流器的系统具有一定可靠性,在变流器的故障处理时候要提高功率器件的绝缘晶体管装置,及时有效评估风电变流器的模块可靠性,从而不断延长对于风电变流器的措施。

一、风电变流器中 IGBT 模块可靠性评估

1、基于器件可靠性评估方法。电子组件的故障率是随时间变化的，通常可以利用浴盆曲线来描述，浴盆曲线一般包括即早期失效期(I)、稳定失效期(II)和损耗失效期(III)。早期失效期一般是由于设计、材料、制造和安装过程中的缺陷造成的，其故障率随着工作时间的增加而迅速降低。稳定失效期的故障率一般看作是恒定的，稳定失效期较长。损耗失效期是组件工作很长时间后，因老化磨损等因素发生的不可控失效。如图所示。

半导体器件可靠性评估一般是研究稳定失效期中器件的可靠性，以 MIL-HDBK-217可靠性为例，阐述功率器件的可靠性评估方法。MIL-HDBK-217可靠性评估是基于指数概率分布，建立组件恒故障率模型[1]。功率器件的可靠性可用多种可靠性指标来表征，例如可用度函数R(t)和失效率λIGBTs 等，器件的可用度 R(t)计算方程为：

基于MIL-HDBK-217F可靠性半导体器件可靠性评估方法，根据失效率计算方式的不同，包括部分应力法和组件计数法，以部分应力法为例，IGBT和二极管的失效率λIGBT和λDiode的计算方程为：

功率器件的故障率在稳定失效期一般是随时间变化的，因此它并不满足恒故障率模型的基本条件[3]。基于大多数可靠性评估方法一般适用于评估与半导体器件偶然性失效有关的失效形式，而大功率器件失效主要因封装失效而引起，因此该方法并不适用于评估大功率器件的可靠性。

2、基于失效机理器件的可靠性评估方法分析中,IGBT模块具有多个层面剖面,IGBT模块主要是由多层材料封装形成,每层材料的热膨胀系数都存在一定差异性,需根据不同材料承受的热应力不同,提高器件疲劳失效问题的处理。IGBT模块中存在多种失效形式,要减少键合线脱落和焊料层老化问题,针对IGBT模块失效形式要提高器件寿命模块管理。

3、在风电变流器的长时间尺度任务剖面中要提高针对IGBT模块的可靠性评估管理,比如对于直驱风机系统结构模式,要保障直驱风机系统良好的结构管理,提高变流器的系统采用的两电平背靠背的结构,提高发电机侧的变流器和电网侧的变流器构建管理,优化风机系统参数分析,在相同条件下保障网侧变流器的可靠性,优化机侧和变流器的两个并联组模块的功率合理化水平。

二、风电变流器中的IG BT模块结构数值计算

1、在IGBT模块结构温数值计算方法中,要充分体现风电变流器的IGBT模块的长时间尺度结温数据,合理评估好IGBT模块寿命消耗,保障功率的IGBT模块内部多个芯片有机地结合,同时提高针对特热网络模型处理,及时考虑到IGBT模块中芯片和并联等效热源管理。风电变流器的IGBT模块的时间尺度任务剖面一般都比较长,风电变流器中功率器件的寿命消耗和风度会随着波动变化而变化,需要提高针对风速随机变化的风机输出功率器件损耗变化认识,针对导致的器件波动问题,提高IGBT模块寿命管理,及时有效评估好风电变流器的IGBT模块损耗问题,减少风电变流器长时间任务剖面的影响。

2、IGBT模块评估的可靠性中要充分提高模块温度数值计算方法验证,保证 IGBT模块电热的在线仿真软件处理,保障高精度,在电热仿真结温数据中,要不断提高验证功率器件温度计算方法的准确性。充分利用结温数值计算方法做好评估管理工作,保障结温数值精确计算模式,提高数值计算时间和计算方法合理化水平。功率变流器是风机系统中最核心组件,可靠性会对风机系统波动影响,从而影响到风电变流器的可靠性评估,导致长时间任务剖面影响问题出现,需要不断提高器件可靠性评估管理模式,优化针对结温计算方法处理,准确快速实现评估器件寿命保障,优化针对风电变流器的器件高效处理。

3、IGBT模块的寿命评估。基于失效机理的器件可靠性评估方法，评估不同时间尺度的结温波动而导致的功率器件寿命消耗，风电变流器中功率器件的多时间尺度寿命消耗评估，基于都柏林一年中风速和气温数据，利用器件结温数值计算方法获取IGBT 和二极管基频结温的长时间基频任务剖面。因基频结温波动而消耗的器件寿命可直接利用式计算得到，Tjmax和Tjmin是一个基频周期内器件结温的最大值和最小值，ton 为1/(2fs)(fs 是基频，在网侧变流器中fs为50 Hz，在机侧变流器中fs与风速有关)，I为每个键合线流过电流的有效值(I是变流器线电流有效值的1/96，IGBT的键合线数量与功率模块的类型有关)，U=17， D=300μm。由于每个风速下风力发电系统的运行状态持续时间为1min，因此，式中Nn 热循环的次数等于60fs[1]。以机侧二极管为例，给出其最大结温 Tjmax、最小结温Tjmin、热循环次数Nn 和风速表征热循环次数Nn 的大小。

根据图可知，因低频结温波动而消耗的寿命计算需首先获取低频结温任务剖面，然后通过雨流算法处理后才能利用式计算 CL_L。在风电变流器每个运行状态下，IGBT在一个基频周期内具有一个稳态平均结温、最大结温和最小结温。风电变流器具有不到50万个运行状态，因此，具有不到50万组IGBT结温数据。对50万个平均结温进行极点提取，判断最大极点和最小极点。当平均结温为最大极点时，取结温的最大值Tjmax，当平均结温为最小极点时，取结温的最小值Tjmin，可以获取器件的低频结温任务剖面，经过雨流算法处理可以直接得到式中每个热循环下所有电热参量的值，进而计算CL_L。

结束语：

总之,在对风电变流器IGBT模块的可靠性评估中,要充分做好组件可靠性和失效机理的评估方法差异性分析,根据变流器剖面的时间尺度划分,要保障IGBT模块的多个时间尺度方法研究。在IGBT模块尺度评估中要不断提高机侧和网络寿命消耗,通过研究分析针对基频和低频的结温波动和导致器件寿命消耗问题及时处理,从而提高公路器件寿命和研究思路管理,保障风电变流器运行的可靠性,提高多尺度剖面IGBT模块寿命消耗合理分布特点管理,从而实现对于剖面器件寿命的合理消耗处理,提高功率器件的措施研究新思路。

参考文献：

[1] 王耀南，孙春顺.电力电子器件及其应用的现状和发展[J].中国电机工程学报,2017(29).

[2] 潘武略，徐政.基于器件的结温变化评估风机中参数差异对网侧变流器可靠性的影响[J].中国电机工程学报,2018(30).

论文作者:徐耀

论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期

论文发表时间:2020/4/30